Elettronica flessibile: gli FPCB

Un circuito stampato flessibile (FPCB - Flexible Printed Circuit Board) è uno speciale tipo di circuito che si può piegare nella forma desiderata. Questi dispositivi sono ampiamente utilizzati per applicazioni ad alta densità e ad alta temperatura. Un circuito flessibile è dotato di uno strato conduttivo con tracce composte da rame, combinato con uno strato dielettrico in poliimmide. Lo spessore dello strato conduttivo di rame può variare da 0,0001'' a 0,010'' e lo spessore del materiale dielettrico può variare da 0,0005'' a 0,010''. Un adesivo è necessario per legare lo strato di rame conduttivo al substrato. Esistono quattro principali tipologie di FPCB:

• FPCB singolo strato in cui vi è un unico strato conduttivo posato su uno strato flessibile di dielettrico e i componenti elettronici sono solo una parte del dispositivo.
• FPCB a doppio strato in cui vi sono strati conduttivi su entrambe le parti del FPCB, ciò permette di avere componenti elettronici su entrambi i lati.
• FPCB con strati multipli prevede diversi strati conduttivi separati da strati di materiale dielettrico.
• PCB rigido/flessibile è una combinazione tra un PCB rigido con appendici flessibili.

La scelta del materiale per la realizzazione di circuiti stampati flessibili è un fattore strategico e dipende dai requisiti dell’applicazione; infatti, il materiale influenza molti fattori tra cui la resistenza chimica e meccanica, la corrente, la temperatura, la capacità e i tipi di flessione. Per poter scegliere il tipo di polimero adatto alle proprie esigenze è necessario considerare i seguenti punti:

• Proprietà termiche (range di temperatura, coefficiente di conducibilità termica, temperatura di transizione vetrosa)

• Proprietà fisiche/meccaniche (carico di rottura, grado di flessibilità, resistenza meccanica all'urto, indice di rifrazione)

• Proprietà elettriche (rigidità dielettrica, costante dielettrica, fattore di dissipazione)

Gli FPCB si possono utilizzare sia in applicazioni dinamiche, in cui è previsto una continua sollecitazione di flessione, sia in applicazioni statiche, in cui la flessione avviene una sola volta e permane nel tempo.

I principali materiali utilizzati negli FPCB sono:

• Conduttori: il rame è il conduttore più comunemente usato, mentre altri materiali usati includono alluminio, carbonio, inchiostro d'argento ecc.
• Adesivi: sono usati per il legame dei componenti a montaggio superficiale. Gli adesivi sono usati secondo le esigenze dell’applicazione e lo spessore del conduttore. Alcuni adesivi utilizzati sono epossidici, acrilici o PSA (adesivi sensibili alla pressione).
• Isolanti: sono usati per separare i conduttori elettrici senza condurre essi stessi la corrente e sono anche usati come supporto. Alcuni isolanti comuni includono la poliimmide, il poliestere, la maschera di saldatura, il polietilene naftalene e il polietilene tereftalato.
• Finiture: sono fatte per proteggere la superficie metallica dall'ossidazione. La finitura finale dipende dall'applicazione del circuito. Alcune finiture comuni includono saldatura, stagno, immersione in nichel o oro, argento, carbonio ecc. I materiali di irrigidimento utilizzati sui flessibili possono essere poliammidici o epossidici.

Gli FPCB hanno numerosi pregi che li rendono preferibili rispetto ai tradizionali cablaggi o alle schede rigide per specifiche applicazioni:

• Diminuzione degli errori di assemblaggio dovuto a produzione automatizzata;
• Permettono geometrie e configurazioni complesse grazie alla possibilità di flessione, inoltre la natura elastica permette anche il posizionamento intorno ai bordi e alle pieghe;
• Offrono un risparmio in termini di peso e anche in termini di spazio occupato.
• Miglior integrabilità dei segnali veloci
• Maggiore resistenza al calore e all’umidità
• La flessibilità lo rende dinamicamente, meccanicamente affidabile e durevole (robusto)
• Risparmio sui costi totali per l’intero sistema (anche se il costo di realizzazione dell’FPCB è inizialmente alto)

Le schede a circuito flessibile sono un giusto abbinamento per le applicazioni che richiedono migliori prestazioni, alta accuratezza, precisione e flessione regolare. Per riuscire ad ottenere e beneficiare di questi innumerevoli vantaggi è necessaria una grande esperienza; infatti, la loro progettazione deve tenere conto di diverse regole standardizzate e calarle all’interno della specifica applicazione. Per esempio, al fine di ottenere le migliori prestazioni di piegatura è necessario seguire le regole di design IPC-2223; di seguito si possono vedere alcune linee guida di base.

Un esempio grafico sugli effetti di una corretta definizione del raggio di curvatura è riportato in figura.